DE2800758C3 - Process for coating the inner surface of a tubular steel body with a friction-reducing metal alloy - Google Patents
Process for coating the inner surface of a tubular steel body with a friction-reducing metal alloyInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Überziehen der zylindrischen innenobrirfiäche eines rohrförmigen Körpers aus gewöhnlichem oder legiertem Stahl mit einer reibungsvermindernden Metallegierung durch Einsetzen eines zylindrischen Ringes und Erhitzen zum Erzeugen einer metallurgischen Bindung zwischen einer bleihaltigen Kupferlegierung des Ringes und der Innenoberfläche.The invention relates to a method of coating the cylindrical inner surface of a tubular body made of ordinary or alloy steel with a friction-reducing metal alloy by inserting a cylindrical ring and heating to create a metallurgical bond between a leaded copper alloy of the ring and the inner surface.
Bei der Herstellung von Motoren und Pumpen von hydraulischen Gruppen, wo in den Zylindern Kolben gleiten, ist es erforderlich, daß die Innenbohrung derIn the manufacture of engines and pumps of hydraulic groups, where in the cylinders pistons slide, it is necessary that the inner bore of the
ίο Zylinder gute Kontakteigenschaften aufweist, um die hin- und hergehende Gleitbewegung des Kolbens im Zylinder zu erleichtern. Um dies zu erreichen, kann der Zylinder aus einem massiven Material bestehen, das gleichzeitig gute reibungsvermindernde Eigenschaften und eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, wie es beispielsweise bei einer Kupferlegierung der Fall isL Jedoch ergibt sich diese Lösung aus einem Kompromiß zwischen zwei verschiedenen ι ..id häufig widersprüchlichen Erfordernissen, was zu einem wenig befriedigenden Ergebnis führt. Man kann einen Körper aus Stahl verwenden, der durch Gießen mit einer reibungsvermindernden Legierung überzogen ist, doch hat dies allgemein einen erhöhten Preis zur Folge. Man kann ebenfalls mit Zwang einen zylindrischen Ring mit reibungsvermindernden Eigenschaften in das Innere des Stahlzylinders einschrumpfen. Um das Spiel zwischen den beiden Teilen, die Deformationen, die sich daraus ergeben könnten, und die Flüssigkeitsleckverluste unter Druck zwischen dem Ring und seinem Sitz zuίο cylinder has good contact properties to the to facilitate reciprocating sliding movement of the piston in the cylinder. To achieve this, the Cylinders are made of a solid material that also has good friction-reducing properties and has sufficient mechanical strength, such as is the case with a copper alloy However, this solution often results from a compromise between two different ι ..id contradicting requirements, which leads to an unsatisfactory result. You can have a body made of steel that is coated with a friction-reducing alloy by casting, but this generally results in an increased price. You can also force a cylindrical ring with Shrink friction-reducing properties into the interior of the steel cylinder. To the game between the two parts, the deformations that could result from them and the fluid leakage losses below Pressure between the ring and its seat increases
JO vermeiden, muß der Klemmdruck des Ringes im Zylinder über dem Stauchdruck liegen. Jedoch können die Beanspruchungen, denen der Ring aufgrund des starken Einklemmens unterworfen wird, zum Auftreten brüchiger Zonen im Ring führen, die seinen BruchJO, the clamping pressure of the ring in the Cylinder above the upsetting pressure. However, the stresses that the ring due to the is subjected to severe entrapment, the appearance of fragile zones in the ring, which can lead to its rupture
J5 verursachen können.J5 can cause.
Daher hat man bereits beschrieben, anstelle einer einfachen mechanischen Verbindung eine Bindung metallurgischer Art zwischen dem Zylinder und dem Ring zu erzeugen. So beschreibt die FR-PS 14 57 620 einTherefore, it has already been described, instead of a simple mechanical connection, a bond metallurgical type between the cylinder and the ring to generate. So describes the FR-PS 14 57 620 a
ίο Verbindungsverfahren, gemäß dem man nach sorgfältigem Polieren und Reinigen der zu vereinenden Oberflächen in den Stahlzylinder einen Ring aus einer reibungsvermindernden Legierung mit wenigstens zwei Bestandteilen einschrumpft und das Ganze auf eineίο connection procedure, according to which one after careful Polishing and cleaning the surfaces to be united in a ring made of a steel cylinder friction-reducing alloy with at least two components and the whole on one
4^ Temperatur zwischen den Schmelzpunkten der beiden Bestandteile derart erhitzt, um eine Diffusion des Bestandteils mit niedrigem Schmelzpunkt in den Stahl des Zylinders hervorzurufen. Mit einem Ring aus Bleibronze (80 Gew.-% Cu-10 Gew-% Sn-10 Gew-% Pb) und einem Klemmdtick von etwa HOkg/crr.·' erhitzt man während wenigstens l'/?h auf ein^ Temperatur im Bereich von 843 und 885°C. um so eine Duffusior des Kupfers im zeitweise flüssigen Zustand nahf. der Grenzfläche in den Stahl des 4 ^ Temperature between the melting points of the two components heated so as to cause diffusion of the low melting point component into the steel of the cylinder. With a ring made of lead bronze (80% by weight Cu-10% by weight Sn-10% by weight Pb) and a clamping thickness of about HOkg / cmr Range of 843 and 885 ° C. so that a duffusior of copper in a temporarily liquid state was needed. the interface in the steel des
^ Zylinders bis in eine Tiefe von einigen μπι zu bewirken. ^ To effect cylinder to a depth of a few μπι.
Fur Zylinder von hydraulischen Hochdruckpumpen weist dieses Verfahren eine gewisse Zahl von Nachteilen auf Einerseils ist es, damit die Diffusion des Kupfers erfolgt, stets notwendig, einen KlemmdruckThis method has a certain number of cylinders for hydraulic high-pressure pumps Disadvantages on one rope is that the diffusion of the Copper takes place, always necessary, a clamping pressure
so zwischen dem Ring und dem Zylinder mit den Gefahren der Deformation und des Bruchs, die damit verbunden sind, anzuwenden. Andererseils hat der Ring infolge des teilweisen Schmelzens des Kupfers in der der Grenzfläche nahen Zone die Neigung, sich zu deformieren und porös zu Werden( Was seine mechanische Festigkeit beeinträchtigen kann.so to apply between the ring and the cylinder with the risks of deformation and breakage associated with it. On the other hand, as a result of the partial melting of the copper in the zone close to the interface, the ring has a tendency to deform and become porous ( which can affect its mechanical strength.
Schließlich funktioniert dieses Verfahren mit Phos· phorbfönze (P > 0,05 Gew.-%) nicht in befriedigenderAfter all, this process works with a phosphor dryer (P. > 0.05% by weight) is not more satisfactory
28 OO28 OO
Weise, da sich dabei an der Grenzfläche eine Verbindung von sehr brüchigem Eisenphosphid bildet, und man muß daher kostspieligere Spezialbronzen wählen.Way, since a compound of very brittle iron phosphide is formed at the interface, and one must therefore choose more expensive special bronzes.
Ähnlich dem Verfahren nach der FR-PS 14 57 620 beschreibt auch die DE-OS 15 27 596 ein Verfahren, bei dem ein Zylinder mit Bronze unter direkter Diffusion des Kupfers des Bronzeringes in den Stahlkörper ausgekleidet wird. Die Wärmebehandlung besteht aus einer Vorwärmung zwischen 677 und 732° C, einer Erwärmung von mindestens anderthalb Stunden zwischen 843 und 885° C und einer Kühlung von ungefähr zwei Stunden zwischen 649 und 732° C. Dabei treten die gleichen Nachteile wie nach der FR-PS 14 57 620 auf.Similar to the method according to FR-PS 14 57 620, DE-OS 15 27 596 also describes a method in a cylinder with bronze with direct diffusion of the copper of the bronze ring into the steel body is lined. The heat treatment consists of preheating between 677 and 732 ° C, one Warming of at least one and a half hours between 843 and 885 ° C and cooling of approximately two hours between 649 and 732 ° C. The same disadvantages occur as in FR-PS 14 57 620.
Andererseits ist aus der DE-PS 8 13 839 ein Verfahren zur Diffusionsverbindung eines Oberzugs aus einer Kupfer-Nickel-Legierung mit einem z. B. aus Stahl bestehenden Träger mittels einer Zwischenschicht aus Kupfer bekannt Dabei liegt die V erbindungs-Wärmebehandlungstemperatur zwischen den Schmelzpunkten des Kupfers und der Kupfer-Nickel-Legierung, d.h. über iG35oC. Von reibungsvermindernden Legierungen ist in dieser DE-PS keine Rede, vielmehr geht es darin nur um die KorrosionsfestigkeitOn the other hand, from DE-PS 8 13 839 a method for the diffusion connection of a coating made of a copper-nickel alloy with a z. B. known from steel existing carrier by means of an intermediate layer of copper. The connection heat treatment temperature is between the melting points of the copper and the copper-nickel alloy, ie over iG35 o C. There is no mention of friction-reducing alloys in this DE-PS, rather, it is only about corrosion resistance
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß die metallurgische Verbindung dur-h Diffusion zwischen dem Stahlzylinder und einem Ring aus der reibungsvermindernden Metallegierung unter Verwendung unterschiedlicher und geläufiger reibungsvermindernder Legierungen derart erreicht wird, daß die Reibungsqualiti'en und die mechanische Festigkeit des Ringes nicht beeinträrhtigt werden und man gegebenenfalls einen rundgebogenen, nicht geschweißten Ring verwenden kann.The invention is based on the object of further developing a method of the type mentioned at the outset in such a way that that the metallurgical bond through diffusion between the steel cylinder and a ring from the friction-reducing metal alloy using different and common friction-reducing agents Alloys is achieved in such a way that the Reibungsqualiti'en and the mechanical strength of the ring are not impaired and you if necessary, can use a curved, non-welded ring.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemätS dadurch gelöst, daß manAccording to the invention, this object is achieved by that he
a) den zylindrischen Ring, der zumindest teilweise aus der reibungsvermindernden Metallegierung besteht, mit etwas kleinerem Außendurchmesser als dem Innendurchmesser des rohrförmigen Körpers herstellt,a) the cylindrical ring, which at least partially consists of the friction-reducing metal alloy, with a slightly smaller outer diameter than the inner diameter of the tubular body manufactures,
b) auf der Außenoberfläche des Ringes eine dünne und kompakte Bindeschicht aus einer weniger als 0,05 Gew.% Phosphor und 5-20 Gew.-% Blei enthaltenden Kupferlegierung abscheidet,b) on the outer surface of the ring a thin and compact tie layer of a less than Deposits copper alloy containing 0.05% by weight of phosphorus and 5-20% by weight of lead,
c) den mit Überzug versehenen Ring in das Innere des rohrförmigen Körpers mit einem Spiel unter 0,005 D einführt undc) the coated ring into the interior of the tubular body with a clearance underneath 0.005 D introduces and
d) die Einheit auf eine Temperatur im Bereich von 750 bis 840° C in wasserstoffreicher Atmosphäre wenigstens 15 min erhitzt.d) the unit to a temperature in the range of 750 heated to 840 ° C in a hydrogen-rich atmosphere for at least 15 min.
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Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den I Inieransprüchen gekennzeichet.Refinements of the method according to the invention are identified in the claims.
Der zylindrische Ring kann aus irgendeinem reibungsvermindernden metallischen Material hergestellt werden, das die Abscheidung der Bindeschicht und den Durchgang im Ofen bei der Behandlungstemperatur ohne Schaden aushalten kann, beispielsweise aus Bronzen mit oder ohne Blei einschließlich der eine gewisse Phösphormenge enthaltenden Bföiizett, Der Ring kann vielschichtig, z. B, aus Stahl mit einer Jnnenschichl aus reibungsverminderndem Metall sein. Dieser Ring kann durch Schleuderguß oder Strangguß erhalten und an seinem Innen- sowie Außendurchmesser bearbeitet werden. Man kann jedoch auch Ringe mit aneinanderstoßenden Rändern verwenden, die durch Zusammenbiegen eines aus einem Blech oder einem Band ausgeschnittenen Blechrohstücks in der Presse erhalten werden. Diese Technik ermöglicht eine Verringerung der Herstellungskosten und eine Vermeidung der Rohstoffverluste bei gleichzeitiger Sicherung einer ausgezeichneten AbmessungsgenauigkeitThe cylindrical ring can be of any type of friction reducing agent metallic material are made, which the deposition of the binding layer and the Can withstand passage in the oven at the treatment temperature without damage, for example from Bronzes with or without lead, including the Bföiizett, which contains a certain amount of phosphorus, Der Ring can be multilayered, e.g. B, be made of steel with an inner layer made of friction-reducing metal. This ring can be obtained by centrifugal casting or continuous casting and on its inner and outer diameter to be edited. However, you can also use rings with adjoining edges that go through Bending of a sheet metal blank cut from a sheet metal or a strip in the press can be obtained. This technique enables manufacturing cost to be reduced and avoided the loss of raw materials while at the same time ensuring excellent dimensional accuracy
Die Bindeschicht kann durch jede geeignete Maßnahme, beispielsweise durch Metallspritzen oder auf elektrolytischem Wege aufgebracht werden.The binding layer can by any suitable measure, for example by metal spraying or on be applied electrolytically.
Im Fall eines zusammengebogenen Ringes mit aneinanderstoßenden Kanten kann man die Bindeschicht auf dem Band abscheiden und den Ring aus diesem mit Oberzug versehenen Band herstellen, wobei sich der Überzug auf der Außenoberfläche befindet Ein beinernes Verfahren zum Überziehen des Bandes besteht darin, auf diesem ein metallisches Pulver aus einer Bleilegierung aufzubringen und diese Schicht zu sintern.In the case of a bent ring with abutting edges, one can use the tie layer deposit on the tape and produce the ring from this tape provided with upper tension, wherein the coating is on the outer surface. A fine method of coating the tape consists in applying a metallic powder made of a lead alloy to this and closing this layer sinter.
Die für diese Bindeschicht verwendete Legierung ist eine Kupferlegierung mit einem Maximalgehalt an Phosphor unter 0,05 Gew.-%, urn die Büdung von brüchtigem Eisenphosphid an der Grenzfläche mit dem Stahlzylinder bei der Diffusion zu vermeiden. Der Bleigehalt muß wenigstens 5 Gew.-% betragen, damit die Diffusion ablaufen kann, und darf 20 Gew.-°/o nicht übersteigen, da jenseits dieses Wertes die mechanische Festigkeit der Bindezo-ie unzureichend sein könnte. Die abgeschiedene Schicht muß über 90% der theoretischen Dichte kompakt sein, um eine Porosität zu vermeiden, die die Bindung schwächen würde.The alloy used for this bonding layer is a copper alloy with a maximum content of Phosphorus below 0.05% by weight to prevent the formation of brittle iron phosphide at the interface with the Avoid steel cylinders during diffusion. The lead content must be at least 5% by weight in order for it to be diffusion can take place and must not exceed 20% by weight, since beyond this value the mechanical The strength of the binding could be insufficient. the deposited layer must be more than 90% of the theoretical density compact in order to avoid porosity, that would weaken the bond.
Der Außendurchmesser des mit Überzug versehenen Ringes muß etwas geringer als der Innendurchmesser des Stahlzylinders sein, um ein Spiel von einigen hundertstel mm zu haben. Dieses Spiel muß das Einführen des überzogenen Ringes in das Innere des Zylinders zulassen, jedoch so gering, d. h. unter 0,005 D, bleiben, um den Diffusionsvorgang zuzulassen.The outer diameter of the coated ring must be slightly smaller than the inner diameter of the steel cylinder to have a play of a few hundredths of a mm. This game has to Allow the coated ring to be inserted into the interior of the cylinder, but as little as possible. H. below 0.005 D, stay to allow the diffusion process.
Man führt den Ring in den rohrförmigen zylindrischen Körper ein, dessen InnenoberfW^e vorab genau bearbeiiei und sorgfältig gereinigt ist. Man bringt das Ganze in einem Durchlaufofen auf eine Temperatur zwischen 750 und 8400C. vorzugsweise 800 bis 8200C. während wenigstens 15 Minuten in einer Wasserstoffatmosphäre oder einer einen erheblichen Wasserstoffanteil enthaltenden Atmosphäre. Die Rolle des Wasserstoffs ist die Begünstigung der Benetzbarkeit der Stahloberfläche durch das Blei im flüssigen Zustand.The ring is inserted into the tubular cylindrical body, the inner surface of which has been carefully machined and carefully cleaned beforehand. The whole thing is brought to a temperature between 750 and 840 ° C. in a continuous furnace, preferably 800 to 820 ° C. for at least 15 minutes in a hydrogen atmosphere or an atmosphere containing a considerable proportion of hydrogen. The role of hydrogen is to promote the wettability of the steel surface by the lead in the liquid state.
Falls beispielsweise die Bindeschicht aus einer Bleibronze mit etwa 80 Gew.-% Kupfer, 10 Gew.% Zinn und 10 Gew.% Blei besteht, hat man ab 320"C die Bildung einer flüssigen Bleiphase. Dagegen bleibt, sola.ige eine Temperatur unter 8400C eingehalten wird, das Kupfer im festen Zustand, und es gibt keine Bildung der sogenannten »λ + Flüssig«Phase, wie es im bekannten Verfahren nach der FR PS 14 57 620 der Fall ist. Beispielsweise ist bei 8200C ein Anteil von 4 Gew.% Kupfer im flüssigen Blei !öslich. Durch die Wirkung von Kapillarkräften gibt es ein Eindringen der Schmelze zwischen den Oberflächen des Stahlzylinders und der Bindeschicht, was eine Diffusion von im flüssigen Blei aufgelöstem Kupfer bis in eine Tiefe von einigen μπι in der Oberfläche des Stahlzylinders ermöglicht Dagegen ist das Blei im Kupfer nicht löslich, und die Menge an flüssigem Blei bleibt daher während der gesamten Dauer der Wärmebehandlung konstant Nach einem Aufenthalt im Ofen von etwa 30 Minuten hat man im Stahl eine ausreichende Diffusion des Kupfers zurIf, for example, the binding layer consists of a lead bronze with about 80 wt.% Copper, 10 wt.% Tin and 10 wt.% Lead, a liquid lead phase is formed from 320 "C. On the other hand, the temperature remains below 840 0 C is adhered to, the copper in the solid state, and there is no formation of the so-called "λ + liquid" phase, as is the case in the known method according to FR PS 14 57 620. For example, at 820 0 C there is a proportion of 4% by weight copper in the liquid lead! Soluble. Due to the action of capillary forces there is a penetration of the melt between the surfaces of the steel cylinder and the binding layer, which causes a diffusion of copper dissolved in the liquid lead to a depth of a few μm in the On the other hand, the lead is not soluble in the copper, and the amount of liquid lead therefore remains constant during the entire duration of the heat treatment. After a stay in the furnace of about 30 minutes you have in the steel sufficient diffusion of copper for
28 OO 75828 OO 758
Sicherung einer geeigneten metallurgischen Bindung zwischen dem überzogenen Ring und dem Zylinder.Securing a suitable metallurgical bond between the coated ring and the cylinder.
Man stellt einen Überzug auf der Innenoberfläche eines Zylinders aus Stahl »CC 35« her. Letzterer hat nach der Norm »AFNOR A 35-551« folgende Zusammensetzung:A coating is made on the inner surface of a cylinder made of steel "CC 35". The latter has according to the standard »AFNOR A 35-551« the following composition:
C = Q,35Gew.-0/o
Mn = 0,60 Gew.-%C = Q.35 weight- 0 / o
Mn = 0.60% by weight
Si =Si =
P <P <
S <S <
FeFe
0,25 Gew.-%
0,04 Gevv.-%
0,04 Gew.-%
Rest, und die0.25 wt%
0.04%
0.04 wt%
Rest, and the
Cu
Sn
PCu
Sn
P.
91 Gew.-%
8,8 Gew.%
0,2 Gew.-%91% by weight
8.8% by weight
0.2 wt%
Die Bindeschicht hat folgende Zusammensetzung:The binding layer has the following composition:
Sn = 10,2Gew.-%
Pb = 10Gew.-%
P < 0,03 Gew.-%
Cu RestSn = 10.2% by weight
Pb = 10% by weight
P <0.03 wt%
Cu rest
Bohrung des Zylinders weist einen Durchmesser von 20±0,005mmauf.Bore of the cylinder has a diameter of 20 ± 0.005mm.
Man stellt einen zusammengebogenen zylindrischen Ring mit aneinanderstoßenden Kanten aus einem Zweischicht-Blechrohstück mit einem Träger aus Bronze und einer durch Aufsintern aufgetragenen Bindeschicht her.You make a bent cylindrical ring with abutting edges from one Two-layer sheet metal blank with a support made of bronze and one applied by sintering Binding layer.
Der Träger ist aus der Bronze »UEtfP« nach der Norm »AFNOR A 53-012« folgender Zusammensetzung: The carrier is made of the bronze »UEtfP« according to the standard »AFNOR A 53-012« with the following composition:
Der mittlere Außendurchmesser des mit OberzugThe mean outside diameter of the top pull
versehenen Ringes ist 19,96 + 0,03 mm, womit das Spiel so im Bereich von 0,01 und 0,08 mm einschließlich der Ovalisierungsfehler des Ringes liegt Die Bindeschicht hat eine Dicke im Bereich von 0,15 bis 0,20 mm.provided ring is 19.96 + 0.03 mm, which means the game so in the range of 0.01 and 0.08 mm including the ovalization error of the ring lies the tie layer has a thickness in the range from 0.15 to 0.20 mm.
Man setzt den überzogenen Ring in das Innere desPut the coated ring inside the
Zylinders ein und bringt das Ganze während 30 min in einer Atmosphäre von gekracktem Ammoniak (75 VoL% H2-25 VoL°/o N2) mit einem Durchsatz von 5m3/hauf820°C.Cylinder and brings the whole thing for 30 minutes in an atmosphere of cracked ammonia (75% by volume H 2 -25 % by volume N 2 ) with a throughput of 5m 3 / h to 820 ° C.
Man kühlt mit 100°C/'h bis auf 4&0°C ab. Die mikroskopische Untersuchung läßt eine Diffusionszone mit einer gegenseitigen Durchdringung der Bestandteile in einer Dicke von 2 μπι erkennen.It is cooled at 100 ° C / h down to 4 & 0 ° C. The microscopic examination leaves a diffusion zone with a mutual penetration of the Recognize components in a thickness of 2 μπι.
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